智能工厂的规划

在当前智能制造的热潮之下,很多企业都在规划建设智能工厂。那么,智能工厂的规划要考虑哪些核心要素?关注哪些维度?


智能工厂的智能化基因


在智能工厂里,人、机器和资源如同在一个社交网络里自然地相互沟通协作,生产出来的智能产品能够理解自己被制造的细节以及将如何使用,能够回答"哪组参数被用来处理我"、"我应该被传送到哪里"等问题。


同时,智能辅助系统将从执行例行任务中解放出来,使他们能够专注于创新;灵活的工作组织能够帮助工人把生活和工作实现更好地结合,个体顾客的需求将得到满足。


No.1

智能工厂核心架构

1.建一个网络(CPS)

智能工厂

CPS让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能,从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合,将网络空间的高级计算能力有效的运用于现实世界中,从而在生产制造过程中,与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析,形成可自律操作的智能生产系统。


2. 三个集成


工业4.0中的三项集成包括:横向集成、纵向集成与端对端的集成。

工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络,使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联,从而实现横向、纵向和端对端的高度集成,集成是实现工厂智能化的重点也是难点。


3. 数据处理:大数据分析

大数据

数据是智能工厂建设的血液,在各应用系统之间流动。在智能工厂运转的过程中,会产生设计、工艺、制造、仓储、物流、质量、人员等业务数据,这些数据可能分别来自ERP、MES、APS、WMS、QIS等应用系统。


因此,在智能工厂的建设过程中,需要一套统一的标准体系来规范数据管理的全过程,建立数据命名、数据编码和数据安全等一系列数据管理规范,保证数据的一致性和准确性。


另外,必要时,还应当建立专门的数据管理部门,明确数据管理的原则和构建方法,确立数据管理流程与制度,协调执行中存在的问题,并定期检查落实优化数据管理的技术标准、流程和执行情况。


企业需要规划边缘计算、雾计算、云计算的平台,确定哪些数据在设备端进行处理,哪些数据需要在工厂范围内处理,哪些数据要上传到企业的云平台进行处理。


No.2

智能工厂主要建设模式

由于各个行业生产流程不同,加上各个行业智能化情况不同,智能工厂有以下几个不同的建设模式。


第一种模式是从生产过程数字化到智能工厂。在石化、钢铁、冶金、建材、纺织、造纸、医药、食品等流程制造领域,企业发展智能制造的内在动力在于产品品质可控,侧重从生产数字化建设起步,基于品控需求从产品末端控制向全流程控制转变。


第二种模式是从智能制造生产单元(装备和产品)到智能工厂。在机械、汽车、航空、船舶、轻工、家用电器和电子信息等离散制造领域,企业发展智能制造的核心目的是拓展产品价值空间,侧重从单台设备自动化和产品智能化入手,基于生产效率和产品效能的提升实现价值增长。


第三种模式是从个性化定制到互联工厂。在家电、服装、家居等距离用户最近的消费品制造领域,企业发展智能制造的重点在于充分满足消费者多元化需求的同时实现规模经济生产,侧重通过互联网平台开展大规模个性定制模式创新。


智能工厂规划的核心要素


智能厂房设计

智能工厂的厂房设计需要引入BIM(建筑信息模型),通过三维设计软件进行建筑设计,尤其是水、电、汽、网络、通信等管线的设计。同时,智能厂房要规划智能视频监控系统、智能采光与照明系统、通风与空调系统、智能安防报警系统、智能门禁一卡通系统、智能火灾报警系统等。采用智能视频监控系统,通过人脸识别技术以及其他图像处理技术,可以过滤掉视频画面中无用的或干扰信息、自动识别不同物体和人员,分析抽取视频源中关键有用信息,判断监控画面中的异常情况,并以最快和最佳的方式发出警报或触发其它动作。


整个厂房的的工作分区(加工、装配、检验、进货、出货、仓储等)应根据工业工程的原理进行分析,可以使用数字化制造仿真软件对设备布局、产线布置、车间物流进行仿真。在厂房设计时,还应当思考如何降低噪音,如何能够便于设备灵活调整布局,多层厂房如何进行物流输送等问题。


智能产线规划

智能产线是智能工厂规划的核心环节,企业需要根据生产线要生产的产品族、产能和生产节拍,采用价值流图等方法来合理规划智能产线。


智能产线的特点是:

1)在生产和装配的过程中,能够通过传感器、数控系统或RFID自动进行生产、质量、能耗、设备绩效(OEE)等数据采集,并通过电子看板显示实时的生产状态,能够防呆防错;


2)通过安灯系统实现工序之间的协作;


3)生产线能够实现快速换模,实现柔性自动化;


4)能够支持多种相似产品的混线生产和装配,灵活调整工艺,适应小批量、多品种的生产模式;


5)具有一定冗余,如果生产线上有设备出现故障,能够调整到其他设备生产;


6)针对人工操作的工位,能够给予智能的提示,并充分利用人机协作。


设计智能产线需要考虑如何节约空间,如何减少人员的移动,如何进行自动检测,从而提高生产效率和生产质量。


企业建立新工厂非常强调少人化,因此要分析哪些工位应用自动化设备及机器人,哪些工位采用人工。对于重复性强、变化少的工位尽可能采用自动化设备,反之则采用人工工位。


精益生产

精益生产的核心思想是消除一切浪费,确保工人以最高效的方式进行协作。很多制造企业采取按订单生产或按订单设计,满足小批量、多品种的生产模式。智能工厂需要实现零部件和原材料的准时配送,成品和半成品按照订单的交货期进行及时生产,建立生产现场的电子看板,通过拉动方式组织生产,采用安东系统及时发现和解决生产过程中出现的异常问题。同时,推进目视化、快速换模。很多企业采用了U型的生产线和组装线,建立了智能制造单元。推进精益生产是一个持续改善的长期过程,要与信息化和自动化的推进紧密结合。


智能产线


制造执行系统

MES(制造执行系统)是智能工厂规划落地的着力点,MES是面向车间执行层的生产信息化管理系统,上接ERP系统,下接现场的PLC程控器、数据采集器、条形码、检测仪器等设备。MES旨在加强MRP计划的执行功能,贯彻落实生产策划,执行生产调度,实时反馈生产进展。


1)面向生产一线工人:指令做什么、怎么做、满足什么标准,什么时候开工,什么时候完工,使用什么工具等等;记录“人、机、料、法、环、测”等生产数据,建立可用于产品追溯的数据链;反馈进展、反馈问题、申请支援、拉动配合等;


2)面向班组:发挥基层班组长的管理效能,班组任务管理和派工;


3)面向一线生产保障人员:确保生产现场的各项需求,如料、工装刀量具的配送,工件的周转等等。


为提高产品准时交付率、提升设备效能、减少等待时间,MES系统需导入生产作业排程功能,为生产计划安排和生产调度提供辅助工具,提升计划的准确性。


工厂智能物流

推进智能工厂建设,生产现场的智能物流十分重要,尤其是对于离散制造企业。智能工厂规划时,要尽量减少无效的物料搬运。根据每个客户订单集中配货,并通过RGV配送到装配线,消除了线边仓。离散制造企业在两道工序之间可以采用带有导轨的工业机器人、桁架式机械手等方式来传递物料,还可以采用AGV、RGV(有轨穿梭车)或者悬挂式输送链等方式传递物料。在车间现场还需要根据前后道工序之间产能的差异,设立生产缓冲区。立体仓库和辊道系统的应用,也是企业在规划智能工厂时,需要进行系统分析的问题。


设备管理

设备是生产要素,发挥设备的效能(OEE—设备综合效率)是智能工厂生产管理的基本要求,OEE的提升标志产能的提高和成本的降低。生产管理信息系统需设置设备管理模块,使设备释放出最高的产能,通过生产的合理安排,使设备尤其是关键、瓶颈设备减少等待时间。在设备管理模块中,要建立各类设备数据库,设置编码,及时对设备进行维保;通过实时采集设备状态数据,为生产排产提供设备的能力数据;企业应建立设备的健康管理档案,根据积累的设备运行数据建立故障预测模型,进行预测性维护,最大限度地减少设备的非计划性停机;要进行设备的备品备件管理。


能源管理

为了降低智能工厂的综合能耗,提高劳动生产率,特别是对于高能耗的用电单元,进行能源管理是非常有必要的。采集能耗监测点(烘箱、变配电、照明、空调、电梯和重点设备)的能耗和运行信息,形成能耗的分类、分项、分区域统计分析,可以对能源进行统一调度、优化能源介质平衡,达到优化使用能源的目的。同时,通过采集重点设备的实时能耗,还可以准确知道设备的运行状态(关机、开机还是在加工),从而自动计算OEE。通过感知设备能耗的突发波动,还可以预测刀具和设备故障。此外,企业也可以考虑在工厂的屋顶部署光伏系统,提供部分能源,对烘箱、浇注设备、空调系统等耗能设备进行重点监控,对于非生产时间的能耗进行追溯,对生产线每个工位的能耗进行检测,将节能的责任分配到班组,从而节约能源。

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